On structural analysis and monitoring of cable stayed bridges

Cable-stayed bridges are generally critical components within civil infrastructure networks. The assessment of their integrity and functionality is fundamental to prevent structural failures inducing fatalities and economic losses due to essential maintenance and downtime of the transportation systems. In particular for cable supported structures, geometric nonlinearities associated to large displacements can largely influence the structural response. In this context, predictive models for life-cycle structural response can be further improved based on experimental data obtained with Structural Health Monitoring (SHM) systems. This thesis is aimed at investigating the structural behavior and SHM design of cable-stayed bridges through static analysis. A preliminary overview of bridge engineering and the evolution in time of design practices and construction detailing of cable-stayed bridges is introduced along with the structural behavior of its constitutive components (i.e., deck, pylons, and cables system). Static analysis of frame structures is then discussed with emphasis on the effect of geometric nonlinearities. The structural response of cable-stayed bridges is investigated to identify critical components considering three stays configurations (i.e., fan, semifan, harp arrangements). Finally, design strategies of SHM systems for cable-stayed bridges are discussed by investigating the effectiveness and sensitivity of sensors typology and installation layout.

I ponti strallati rappresentano elementi critici all’interno di reti infrastrutturali civili. La valutazione della loro integrità e funzionalità risulta fondamentale nella prevenzione di collassi strutturali che possono comportare la perdita di vite umane, nonché conseguenze economiche relative ad interventi di manutenzione straordinaria e all’inefficienza del sistema di trasporto. In particolare per le strutture con cavi di sospensione, le nonlinearità geometriche in grandi spostamenti possono fortemente influenzare la risposta strutturale. In questo contesto, i modelli predittivi della risposta strutturale a ciclo di vita possono essere ulteriormente supportati da dati sperimentali ottenuti mediante sistemi di monitoraggio strutturale. In questo elaborato di tesi si analizzano il comportamento strutturale e la progettazione di sistemi di monitoraggio per ponti strallati mediante analisi statiche. Viene presentata un’introduzione preliminare agli elementi costitutivi dei ponti strallati (ovvero impalcato, pile e sistema di cavi di sospensione) e all’evoluzione nel tempo delle buone pratiche di progettazione. Viene quindi discussa l’analisi statica di sistemi a telaio dando particolare enfasi al ruolo delle nonlinearità geometriche. Vengono quindi sviluppate analisi di risposta strutturale su ponti strallati con diverse configurazioni del sistema di sospensione (ovvero a ventaglio, a semi-ventaglio e ad arpa), identificandone i componenti strutturali più critici. Infine, vengono introdotte strategie di progettazione di un sistema di monitoraggio per ponti strallati mediante lo studio dell’efficacia e della sensibilità di varie tipologie di sensori e schemi di installazione.